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D. Kohlböck:
"Analytische, numerische und experimentelle Untersuchungen von Meißelarbeiten bei der Pfahlherstellung mit dem Schlagbohrverfahren unter besonderer Berücksichtigung der Grundwasserbedingungen";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): H. Brandl, H.G. Jodl; Institut für Grundbau und Bodenmechanik, 2008; Rigorosum: 18.08.2008.

Das Schlagbohrverfahren mit verschiedenen Bohrwerkzeugen stellt eine seit langem gängige Möglichkeit zur Herstellung von Pfählen dar. In der vorliegenden Dissertation wird der Einsatz von Meißelwerkzeugen beim Lösen von Festgestein bzw. sonstigen Bohrhindernissen untersucht. Dabei wird der erschwerende Einfluss des Grundwassers beim Bohren besonders berücksichtigt.

Meißelwerkzeuge werden im Freifallbetrieb zum Lösen des Untergrundes an der Bohrlochsohle in schlagender Weise eingesetzt. Die grundsätzlichen Überlegungen beruhten bisher darauf, dass die Werkzeuge ihre potenzielle Energie von der Ausgangslage bis zum Auftreffen an der Bohrlochsohle in kinetische Energie umwandeln. Weitere im System wirkende Widerstände, wie Trägheiten und Reibungsvorgänge, wurden dabei außer Acht gelassen. Beim Einsatz unter Wasser ergeben sich außerdem erhebliche Strömungswiderstände, für welche in der Literatur bis dato keine Angaben bekannt waren. Die Bewegungsvorgänge bei Meißelarbeiten waren daher nicht oder nicht ausreichend erfasst, und die geometrische Ausführung bzw. der Einsatz der Werkzeuge vorwiegend empirisch bestimmt.

In der vorliegenden Arbeit werden anhand einer Betrachtung der beim Freifallbetrieb maßgeblichen Komponenten analytische Modelle zur Beschreibung der Fallbewegung erstellt. Dies erfolgt für den Einsatz im trockenen und wassergefüllten Bohrloch. Für die Rotationsbewegung des Meißels bei den Fallvorgängen unter Wasser, welche für ein vollständiges, systematisches Aufmeißeln des Untergrundes sorgt, wird ebenfalls ein analytisches Modell ausgearbeitet.

Die Strömungseigenschaften von verschiedenen Meißeltypen und -ausführungen werden umfangreich mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen untersucht. Dabei werden die Strömungswiderstände und Momenteneinwirkungen auf die verschiedenen Werkzeugvarianten im Bezug auf die Fall- und Rotationsbewegung ermittelt und gegenübergestellt. Die Ergebnisse der Berechnungen lassen Optimierungspotenziale in der Meißelausführung erkennen und dienen als Eingangsparameter für die analytischen Modelle.

Zur Überprüfung und Erweiterung der numerisch ermittelten Strömungseigenschaften wurden maßstäbliche Modellversuche durchgeführt. Alle im Maßstab 1:7.4 untersuchten Meißelvarianten wurden in identischer Weise auch mit numerischen Strömungssimulationen gerechnet. Somit können direkte Vergleiche zwischen den theoretisch und experimentell ermittelten Ergebnissen erfolgen und die analytischen Bewegungsgleichungen bestätigt werden. Dies betrifft sowohl die Fall- als auch die Rotationsbewegung der Werkzeuge.

Bei Messeinsätzen auf Baustellen konnten Fallvorgänge in trockenen, teilweise und vollständig wassergefüllten Bohrlöchern mit verschiedenen Methoden aufgenommen werden. Darüber hinaus wurden die auftretenden Kräfte bei den Meißelarbeiten in direkter und indirekter Weise gemessen, um Erkenntnisse über das Ausmaß und den Verlauf der Schlagkräfte zu gewinnen. Anhand der Ergebnisse aus den Baustellenmessungen wurden die bisher angeführten Untersuchungen im praktischen Einsatz überprüft.

Für die Erfassung der Schlagkräfte und Bewegungsvorgänge waren umfangreiche Meßmethoden erforderlich, die speziell für die gegenständlichen Untersuchungen angefertigt wurden. Dazu zählen ein photogrammetrisches Messverfahren mit rechnergestützter Auswertung sowie ein Meßsystem zur Aufzeichnung der maßgeblichen Beschleunigungen bei den Meißelarbeiten. Diese Meßmethoden konnten sowohl bei den klein- als auch bei den großmaßstäblichen Versuchen erfolgreich eingesetzt werden.

Anhand der analytisch, numerisch und experimentell ermittelten Ergebnisse lassen sich Vergleiche zwischen den verschiedenen Meißelvarianten vornehmen und Empfehlungen für die geometrische Ausführung und praktische Anwendung der Werkzeuge unter verschiedenen Randbedingungen angegeben.

The installation of pile foundations by hammer grab and chisel is a longstanding method of construction. The use of such chisel devices to break rock or other subsurface obstacles is investigated in this doctoral research. Particular consideration is given to the influence of groundwater conditions.

Chisels are employed in a free-fall operation in order to break hard layers at the bottom of a borehole, by means of percussive impact. Preliminary approaches were based on principles of energy conservation, with potential energy of the chisel at its initial position transferred to kinetic energy as a consequence of the free-fall motion. In analysis, frictional and inertial forces within the system were neglected. Free-fall through water yields additional forces on the chisel, which were unknown. Accordingly, the motion of the chisel could not be accurately described, causing its design and operation to be based on empirical considerations.

In this dissertation, analytical models for the motion of the chisel in a borehole are developed for application to free-fall through air and also through water. Additionally, a model is developed to account for rotation of the chisel during free-fall, which ensures a complete and systematic account of the rock-breaking process at the bottom of the borehole.

Flow simulations of various chisel types are presented based on the principles of computational fluid dynamics. Forces and moments arising from flow resistance around a chisel are calculated and compared. The results can be used for purposes of optimisation in design, and also as input parameters for analytical models.

Model tests (scale 1:7.4) were performed to evaluate results obtained from the flow simulations and the analytical models. The test data enable a verification of the equations for translational and rotational motion. Several large scale tests were carried out at different construction sites to establish the motion of a chisel in dry, partly and completely water-filled boreholes. Additionally, indirect and direct measurements were taken of the chisel impact, in order to characterise the development and magnitude of impact forces. The large scale tests represent the final component of the experimental investigation.

A sophisticated data acquisition system was developed to measure chisel motion and impact force. The system comprises a timed photogrammetric image acquisition, with computational evaluation of acceleration. It was used for both small and large scale tests, and proved very successful.

Results of the analytical, numerical and experimental investigations allow for a detailed comparison between various types of chisel. Recommendations are provided for application of the chisel devices, under conditions representative of those encountered in engineering practice.

Bohrpfähle; Schlagbohrverfahren; Felsmeißel; Strömungssimulation;